The 28th Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2014
2E3-2
オントロジーを用いた人工衛星の網状故障解析
Fault Network Analysis of Artificial Satellite Using Ontology
山口 皓太
∗1Kota Yamaguchi
堀 浩一
∗2 Koichi Hori∗1
東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻
Department of Aeronautics and Astronautics, University of Tokyo
This study was made to analyze faults of an artificial satellite by using reliability engineering and ontology engineering. This paper suggests a fault analysis method , which is based on a combination of descriptions of connections between devices and flows of something transmitted in an artificial satellite and descriptions of failure events of devices.
1.
序論
1.1
背景
人工衛星の設計開発は大規模であるため,複数の開発部署に 分かれて行われる.しかし,人工衛星の設計段階,組み上げ段階,
運用段階においてそれぞれの設計開発部署が開発する人工衛星 の知識の共有・伝達が上手く為されなければ,異なる開発部署 間での部品のかみ合わせ時やシステム運用時において不具合が 生じ,開発コストやスケジュール,人工衛星のミッションの遂 行に影響がでてしまう.
東京大学工学系研究科航空宇宙工学専攻中須賀研究室では学 生主体の小型人工衛星開発プロジェクト(PRISMプロジェク ト)が行われている[3].このプロジェクトの開発規模はNASA
やJAXAのプロジェクトと比較すると,開発メンバーの人数,
人工衛星の構成部品数,開発期間などがどれも小規模であるが,
人工衛星の設計,製作,試験,運用までを行っており,人工衛星 の設計開発・運用モデルとして参考にできる.
1.2
目的
本研究ではPRISMプロジェクトにおいて蓄積されたデー タを基に,オントロジー工学と信頼性工学の立場から、人工衛 星の設計開発・運用における知識の内,不具合知識に焦点を置 き,人工衛星設計開発に関する知識の共有・伝達を支援する故 障解析手法の構築を試みた.
2.
提案する故障解析システム
2.1
提案システム概要
本研究で提案する故障解析手法は主に二つのオントロジー記 述によって表現されたシステムによって構成される. 一つは人 工衛星の内部状態を記述した人工衛星デバイスオントロジーで あり,もう一つは人工衛星の故障を担う故障プロセスオントロ ジーである.この二つのオントロジーを用いて故障解析を行う.
2.2
衛星設計プロジェクトの現状
中須賀研究室における人工衛星PRISM設計開発ではシス テム開発は六つのパートに分かれて行われた.六つのパートと はCDH系,光学系,通信系,電源系,ADCS系,構造系である.
これらの各パートで発生した異常と故障は,リスト形式で記述 された.xlsファイルと、個別の不具合について詳細に書かれ
連絡先:山口皓太,東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学 専攻,[email protected]
た.docファイルという形で保管されている.これらの不具合が 記述されたデータを分析すると,不具合の記述がその記述者の 設計開発パートを中心とした視点で行われているため,記述者 の開発する系における不具合の波及については詳しく記述され ているが,他の系への不具合の波及に関する記述は少ない.こ れは設計開発において稼働試験を行う際には全体を組み上げ て行うのではなく,人工衛星の限定した部分に対して行ってい るためであると考えられる.そこで本研究で提案する手法を用 いることで,各系ごとに存在する不具合の繋がりを明らかにし,
不具合知識の統合を行う.
2.3
オントロジーエディタ『法造』
本研究においてシステムの構築のベースとして, オントロ ジー工学の成果を用いた. オントロジー理論は溝口の研究を参 考として,オントロジーの構築を行った. オントロジーの構築 にはオントロジー構築利用環境「法造」[4]を使用した.
2.4
人工衛星デバイスオントロジー
本研究で用いる人工衛星デバイスオントロジーは來村[1]ら によって提案された拡張デバイスオントロジーをベースとし,
また澤井[2]の人工衛星オントロジーからの一部引用を行った.
2.4.1 全体物と部分品
図1: 全体物と部分品の定義
図1において,「機器」は「全体物」と「部分品」によって 分けられている.全体物は部分品の組み上げによって形作られ る最終的な機器の形である.部分品は全体物を構成する基本的 な構成単位である. 本研究においては衛星システムを運用する
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上で重要となってくる機能部品単位に着目してオントロジーの 作成を行った.
2.4.2 ポートの間接入力元と間接出力先
図2: ポートの定義
図2が「ポート」概念の定義である。,ポートは部分品が持 つ属性である. ポートは「接続先」として「導管」,実在物をク ラス概念として持つ「間接入力元」「間接出力先」を持つ. ポー トと導管の概念は來村[1]らの拡張デバイスオントロジーの理 論から導入した. 「間接入力元」と「間接出力先」という概念 は本研究のオントロジーでにおいて新たに導入したものであ る.人工衛星の内部構造は多くの複雑な電子部品によって構成 されており,データや電気エネルギーの流れる経路は複雑に入 り組んでいる.そのような複雑系をオントロジーで完全に記述 することは困難である.本研究で用いる人工衛星の設計データ では細部の構造の把握が困難であったため,オントロジーの記 述に曖昧さをもたらす必要があった.
そこで接続関係の曖昧さを表現するために,「間接入力元」と 「間接出力先」という概念を導入した.間接入力元とは,伝達物 が入力されている部分品から見て直近の接続関係にある,その 伝達物を出力している部分品を指す概念である. 間接出力先と は,間接入力元とは逆に,伝達物を出力している部分品から見 て直近の接続関係にある,その伝達物が入力されている部分品 を指す概念である. これら二つの概念を導入することで,人工 衛星の内部構造の記述を簡単化した.
2.4.3 導管
図3: 導管の定義
図3が導管の定義である.「導管」は部分品間の接続はどの ようなものが媒体となるかを表現する。大きく「配線」,「コ ネクタ」,「電磁波」に分類される。配線とコネクタは人工衛 星内部の部分品の接続媒体であり,電磁波は人工衛星が外部と の接続を行う際の媒体である.
2.4.4 伝達物
図4が「伝達物」概念の定義である．「伝達物」は「導管」上 で移動,受け渡しされる対象を表現する．エネルギーや情報に
図4: 伝達物の定義
限らず,力等の,通常は管を通る物としてイメージされない対 象も含む．
2.5
故障プロセスオントロジー
故障解析に用いるもう一つのオントロジーとして,故障プロ セスオントロジーを作成した.
2.5.1 故障の定義
本研究では故障という事象を『プロセスによって担われる ロール』であると定義した. ここで用いる「プロセス」とは行 為や状態,状況といったオカーレントなものを指す. 故障は想 定しているプロセスによって,そのプロセスが故障であるかど うかの線引きが行われる. 例えば,ある機器に数値を入力する という場合において,特定数値以上を入力することがエラーと いう故障であるとする. ここでは,入力値の範囲によって故障 であるかそうでないかの線引きがなされている. すなわち,こ の場合の故障の本質は入力値状態というプロセスであり,入力 値状態がエラー故障という事象の役割を担っている. また,こ の例における機器の正常動作も入力値状態によって担われる.
正常動作においてはこの入力値状態が想定しているものであ る. つまり,機器の故障も正常動作も本質的には同一のプロセ スによって担われうるものである.
2.5.2 波及
図5: 波及先と波及元の定義
機器の故障を具体的に考えると,機器が作動しない,機器の 性能不良,機器の出力値異常などが挙げられる.そしてその原 因として,配線ミス,入力ミスなどのヒューマンエラーや,機器 のショート,機器の接触不良などのマシンエラーが推定される.
また,それらの原因もまた原因を持つ場合が存在する.例えば,
入力ミスはその入力を行う者の注意不足が原因であったり,こ の注意不足も分析すると寝不足が起因していると考えられるこ とがある. つまり,故障とは原因が原因をもたらすことの連鎖 の結果であると考えられる.
そこで,本研究において故障を記述する上で,「波及」という 概念を導入した. 故障の役割を担うプロセスは属性として他の
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プロセスをクラス概念に持つ「波及先」と「波及元」を持つ.
図5にプロセスの属性である,「波及先」と「波及元」を示す.
この概念の導入により,故障を客観的に記述可能となる.
2.5.3 その他属性
プロセスの持つ属性として,「波及先」と「波及元」以外に,
プロセスそれぞれにつけられた属性としてのIDを示す「プロ セスID」とプロセスが何によってなされているかを示す「主 体」を用意した.これらは図5に示されている.
3.
提案する故障解析手法
3.1
アルゴリズム
故障プロセスオントロジーと人工衛星デバイスオントロジー の二つを用いることで,データ上繋がりの人工衛星の不具合デー タ同士の新たな繋がりを見つけ出すことを目的に作成.した
提案手法で用いられる故障プロセスとは,故障の伝達機能の 停止や阻害を直接表現するプロセスであり,人工衛星オントロ ジーによって識別がなされている. 本研究で用いる故障解析に は波及先探索と波及元探索が存在する.
3.1.1 波及先探索アルゴリズム
1. 対象となるプロセスと注目する伝達物を選択する. 2. 対象となるプロセスの既に構成されている波及先のプロ
セスを検索する.
3. 検索された波及先プロセスに対して,波及先のプロセスを 検索する.
4. 3.を繰り返す.波及先が存在しない場合,波及先に既に3.
において検索されたプロセスと同じプロセスが存在する 場合中止する.
5. 対象となるプロセスが故障プロセスの場合,主体プロセス を検索する.対象となるプロセスが故障プロセスでない場 合,同一主体を持つ波及先において故障プロセスが存在す るならば,主体プロセスを検索する.どちらにも該当しな い場合,主体の検索は行わない.主体の検索がなされた場 合,次の手順に移行する.
6. 直近の注目する伝達関係に基づく上流の接続関係にある機 器を検索する.複数検出された場合は,順次以下の7.から
9.を行う.何も検出されなかった場合は探索を中止する.
7. 6.において検索された機器を主体とする故障プロセスを
検索する.
8. 対象となるプロセスを波及元,7における故障プロセスを 波及先として波及関係を構築する.
9. 6.から8.を繰り返す
3.2
波及元探索アルゴリズム
1. 対象となるプロセスと注目する伝達物を選択する. 2. 対象となるプロセスの既に構成されている波及元のプロ
セスを検索する.
3. 検索された波及元プロセスに対して,波及元のプロセスを 検索する.
4. 3.を繰り返す.波及元が存在しない場合,波及元に既に3.
において検索されたプロセスと同じプロセスが存在する 場合中止する.
5. 対象となるプロセスが故障プロセスの場合,主体を検索す る.対象となるプロセスが故障プロセスでない場合,主体 の検索は行わない.主体の検索がなされた場合,次の手順 に移行する.
6. 直近の伝達関係に基づく下流に存在する接続関係にある 機器を検索する.複数検出された場合は,順次7.から9.
を行う.何も検出されなかった場合は探索を中止する.
7. 6.において検索された機器を主体とするプロセスを検索
する.
8. 対象となるプロセスを波及先,7におけるプロセスを波及 元として波及関係を構築する.
9. 6.から8.を繰り返す
特定の人工衛星を構成する機器におけるプロセスが,人工衛 星という複雑な部品の接続関係のネットワークの中において,
他の機器に対してどのような故障をもたらすのか,そしてその プロセスがどのような他のプロセスによって引き起こされる か,影響の波及元と波及先のに方面での故障解析を行う.
4.
提案手法の実験と評価
4.1
実験方法
提案した故障解析手法を用いて,注目するプロセスが他の機 器,プロセスに対してどのような波及をもたらすのか実験を行っ た.紹介したアルゴリズムにおける機器の接続先探索の繰り返 しを本実験では3回行う.
4.2
実験資料
実験に用いる資料は中須賀研究室の人工衛星PRISM開発 プロジェクト[3]において蓄積されたドキュメントデータの集 合を用いる. 本実験においてはこのドキュメントデータの集合 に含まれる不具合に関するデータを整理したものを故障解析に かける. 表1,表2に不具合データの一部を記載する.
本実験ではID:82の『磁気センサ機能不良』というプロセス に対して,波及先探索アルゴリズムを適用し, ID:19の『MGT
センサ系マルチプレクサにノイズがのる』というプロセスに 対して,波及先探索アルゴリズムを適用して実験を行う. なお,
故障解析の過程で着目する伝達物は,ID:82では「磁気センサ データ」に着目して機器間の経路を辿り,ID:19では「磁気セ ンサデータ」の上位概念に当たる,「センサデータ」に着目し て経路を辿ることとした.
プロセスID プロセス
18 ADコンバータのAD変換の出力値異常
19 MGTセンサ系マルチプレクサにノイズがのる
52 磁気センサデータ出力値異常
53 磁気センサ用オペアンプ性能不良
54 Circuitレベルでの磁気センサ出力端子名間違い
75 温度センサの電流浪費
76 温度センサのコネクタ接続間違い
78 温度センサデータ出力値異常
79 ジャイロセンサデータ出力値異常
80 温度センサの機能不良
81 ジャイロセンサの機能不良
82 磁気センサの機能不良
89 磁気センサの出力にノイズがのる
95 ジャイロセンサの出力停止
96 ジャイロセンサの振動による破壊
97 ジャイロセンサの真空での破壊
98 ジャイロセンサの放射線による破壊
99 ジャイロセンサのショート
100 ジャイロセンサの振動による断線
101 ジャイロセンサの半田付け不良による断線
104 ジャイロセンサの熱膨張によるアライメントエラー
105 磁気センサの内部磁気発生状態
表1: プロセスデータ
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プロセスID 波及先プロセスID 波及元プロセスID 18 15,16,17 19,21,22,37,38,53,107
19 18 20
52 53,82,89 53 18,52
54
75 76
76 75
78 80
79 81
80 78 83
81 79 83102103104
82 52 83
89 52 105
95 96,97,98,99,101
96 95 100
97 95 98 95 99 95 100 96 101 95 104 81 105 89
表2: 既存の波及関係データ
4.3
実験結果
4.3.1 実験1:『磁気センサの機能不良』への波及先探索アル
ゴリズムの適用
ID:82への波及先探索アルゴリズムの適用した場合の実験結
果を記述する. 本実験で接続関係を形成する上で着目する伝達 物は「磁気センサデータ」である. ID:82『磁気センサの機能 不良』からID:52,53,19,18が波及先のプロセスであると検出 された.
4.3.2 実験2:『MGTセンサ系マルチプレクサにノイズが
のる』への波及元探索アルゴリズムの適用
ID:19への波及元探索アルゴリズムの適用した場合の実験結
果を記述する. 本実験で接続関係を形成する上で着目する伝達 物は「センサデータ」である. ID:19の波及元として,「磁気セ ンサ用オペアンプ」主体のプロセス,ID:53,「ジャイロセンサ」 主体のプロセス,ID:95,96,97,98,99,100,101,104,79,81,「温度 センサ」主体のプロセス,ID:75,76,78,80,「磁気センサ」主体 のプロセス,ID:52,54,82,89,105,が検出された.
4.4
評価
4.4.1 結果1:『磁気センサの機能不良』への波及先探索アル
ゴリズムの適用
ID:82からID:52,53,19,18が波及先のプロセスであると本 研究で用いたアルゴリズムは導き出した.この四つの故障プロ セスのうち,中須賀研究室で作成された不具合データを元に構 築された故障プロセスオントロジーに既に波及関係が記述され ている不具合ID:52を除いた,三つの故障プロセスが本研究に より構築された新たなプロセス間の繋がりと言える. 得られた 結果を分析すると,ID:53,19,18はどれも,ID:82から引き起こ される事象なりうるプロセスだとみなすことが可能である.
4.5
結果
2:
『
MGT
センサ系マルチプレクサにノイズ
がのる』への波及元探索アルゴリズムの適用
「磁気センサ用オペアンプ」を主体とする波及元プロセス としてのID:53は既に構築されている関係である. 「ジャイ ロセンサ」を主体とするプロセスについて考えると,ID:95によって,ノイズが発生することは考えられないので,これは求 める検索の結果ではない.しかし,ID:95の故障プロセスオント ロジーにおける波及元であるID:96,97,98,99,100は間接的な ノイズの発生の可能性を有すると考えられる.これはプロセス の新たな繋がりである.また,ID:101,102,103,104,81,79もノイ ズの間接的発生要因として考えられる. しかし,これらの波及 元の可能性のあるプロセスは直接的にノイズを発生させ,ノイ ズが配線を伝わることで,マルチプレクサにノイズをのせてい るものであると断言できるものではなく,繋がりとしては薄い と言わざるを得ない. 次に「温度センサ」を主体とするプロセ スについて考えると,特にID:76,78,80はノイズの発生と強い 繋がりを持っていると考えられる.検索結果としては,非常に 良好である. 「磁気センサ」主体のプロセスの検索結果は,非 常に良好なものであった.ID:52と故障プロセスオントロジー に基づく波及元であるID:89は,ノイズの発生に強く結びつい たプロセスである.また,ID:105,ID:82もノイズの発生原因と して,非常に有力な候補である. ID:54はノイズの発生とは繋 がりが薄いが候補の一つとして考えられる.
5.
結論
5.1
本研究の成果
提案した故障解析手法を用いて,不具合データの解析を行い,
蓄積されたデータ上に繋がりのなかった故障事象の間に新たな 繋がりを構築することができた。また、オントロジーの構築を 通して故障という事象に対しての理解を深めることができた。
5.2
今後の課題
人工衛星デバイスオントロジーは人工衛星の詳細な内部構造 の記述を目指したが,筆者の知識不足と資料の不足のため,完 全なものとすることはできなかった.そのため,冗長な記述を 用いて対処することとなった.記述の詳細化が今後の課題の一 つと言える.また,故障プロセスオントロジーも,プロセスの記 述に曖昧な部分があるため,故障解析においての検索の絞込み に甘さが目立った.より詳細な体系化が課題である.
参考文献
[1] 來村徳信,溝口理一郎 (2002) 「オントロジー工学に基 づく機能的知識体系化の枠組み」,『人工知能学会論文 誌』,vol.17,No.1,pp.61-72
[2] 澤井裕一郎(2012)「人工衛星の設計支援のためのオント ロジーの構築と利用」
[3] 「東京大学ISSL:PRISMプロジェクトサイト -中須賀 研究室」http://www.space.t.u-tokyo.ac.jp/prism/ main.html(2013/11/20アクセス)
[4] 「「法造」によるオントロジー研究サイト」http://www. hozo.jp/hozo/(2013/11/12アクセス)
[5] 溝口理一郎(2006)「オントロジー構築入門」,オーム社
[6] 溝口理一郎(2005)「知の科学オントロジー工学」,オー ム社
